Analisi ambientale della coltivazione di biomasse a scopo energetico con metodologia Life Cycle Assessment (LCA)

Lo scopo dello studio è un'analisi comparativa degli impatti ambientali, calcolati utilizzando la metodologia del Life Cycle Assessment, della fase agricola di 9 colture dedicate (lignocellulosiche, oleaginose e cereali) da biomassa, con diifferenti destinazioni energetiche (biocarburanti di I e II generazione ed energia elettrica). E' infine stata eseguita un'analisi "from cradle to grave" considerando anche le diverse tecnice di trasformazione possibili, con dati bibliografici. Sotto tutti i profili (impatto per ettaro, impatto per unità energetica generata, e impatto totale della filiera, risulta un netto vantaggio delle coltrue lignocellulosiche, e fra queste specialmente le poliennali.

Life Cycle Assessment of Peach Nectar: a comparative analysis between conventional and bioenergy-from-waste integrated food chains

Modern food systems are characterized by a high energy intensity as well as by the production of large amounts of waste, residuals and food losses. This inefficiency presents major consequences, in terms of GHG emissions, waste disposal, and natural resource depletion. The research hypothesis is that residual biomass material could contribute to the energetic needs of food systems, if recovered as an integrated renewable energy source (RES), leading to a sensitive reduction of the impacts of food systems, primarily in terms of fossil fuel consumption and GHG emissions. In order to assess these effects, a comparative life cycle assessment (LCA) has been conducted to compare two different food systems: a fossil fuel-based system and an integrated system with the use of residual as RES for self-consumption. The food product under analysis has been the peach nectar, from cultivation to end-of-life. The aim of this LCA is twofold. On one hand, it allows an evaluation of the energy inefficiencies related to agro-food waste. On the other hand, it illustrates how the integration of bioenergy into food systems could effectively contribute to reduce this inefficiency. Data about inputs and waste generated has been collected mainly through literature review and databases. Energy balance, GHG emissions (Global Warming Potential) and waste generation have been analyzed in order to identify the relative requirements and contribution of the different segments. An evaluation of the energy “loss” through the different categories of waste allowed to provide details about the consequences associated with its management and/or disposal. Results should provide an insight of the impacts associated with inefficiencies within food systems. The comparison provides a measure of the potential reuse of wasted biomass and the amount of energy recoverable, that could represent a first step for the formulation of specific policies on the integration of bioenergies for self-consumption.

Approccio multidisciplinare per le valutazioni ambientali: Problematiche e sinergie in un uso combinato delle metodologie life cycle assessment (lca) e risk assessment (ra)

In questo lavoro di tesi si è elaborato un quadro di riferimento per l’utilizzo combinato di due metodologie di valutazione di impatti LCA e RA, per tecnologie emergenti. L’originalità dello studio sta nell’aver proposto e anche applicato il quadro di riferimento ad un caso studio, in particolare ad una tecnologia innovativa di refrigerazione, basata su nanofluidi (NF), sviluppata da partner del progetto Europeo Nanohex che hanno collaborato all’elaborazione degli studi soprattutto per quanto riguarda l’inventario dei dati necessari. La complessità dello studio è da ritrovare tanto nella difficile integrazione di due metodologie nate per scopi differenti e strutturate per assolvere a quegli scopi, quanto nel settore di applicazione che seppur in forte espansione ha delle forti lacune di informazioni circa processi di produzione e comportamento delle sostanze. L’applicazione è stata effettuata sulla produzione di nanofluido (NF) di allumina secondo due vie produttive (single-stage e two-stage) per valutare e confrontare gli impatti per la salute umana e l’ambiente. Occorre specificare che il LCA è stato quantitativo ma non ha considerato gli impatti dei NM nelle categorie di tossicità. Per quanto concerne il RA è stato sviluppato uno studio di tipo qualitativo, a causa della problematica di carenza di parametri tossicologici e di esposizione su citata avente come focus la categoria dei lavoratori, pertanto è stata fatta l’assunzione che i rilasci in ambiente durante la fase di produzione sono trascurabili. Per il RA qualitativo è stato utilizzato un SW specifico, lo Stoffenmanger-Nano che rende possibile la prioritizzazione dei rischi associati ad inalazione in ambiente di lavoro. Il quadro di riferimento prevede una procedura articolata in quattro fasi: DEFINIZIONE SISTEMA TECNOLOGICO, RACCOLTA DATI, VALUTAZIONE DEL RISCHIO E QUANTIFICAZIONE DEGLI IMPATTI, INTERPRETAZIONE.

The challenges and the limitations in Life Cycle Impact Assessment for metal oxide nanoparticles, a case study on nano- TiO2

Life Cycle Assessment (LCA) is a chain-oriented tool to evaluate the environment performance of products focussing on the entire life cycle of these products: from the extraction of resources, via manufacturing and use, to the final processing of the disposed products. Through all these stages consumption of resources and pollutant releases to air, water, soil are identified and quantified in Life Cycle Inventory (LCI) analysis. Subsequently to the LCI phase follows the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) phase; that has the purpose to convert resource consumptions and pollutant releases in environmental impacts. The LCIA aims to model and to evaluate environmental issues, called impact categories. Several reports emphasises the importance of LCA in the field of ENMs. The ENMs offer enormous potential for the development of new products and application. There are however unanswered questions about the impacts of ENMs on human health and the environment. In the last decade the increasing production, use and consumption of nanoproducts, with a consequent release into the environment, has accentuated the obligation to ensure that potential risks are adequately understood to protect both human health and environment. Due to its holistic and comprehensive assessment, LCA is an essential tool evaluate, understand and manage the environmental and health effects of nanotechnology. The evaluation of health and environmental impacts of nanotechnologies, throughout the whole of their life-cycle by using LCA methodology. This is due to the lack of knowledge in relation to risk assessment. In fact, to date, the knowledge on human and environmental exposure to nanomaterials, such ENPs is limited. This bottleneck is reflected into LCA where characterisation models and consequently characterisation factors for ENPs are missed. The PhD project aims to assess limitations and challenges of the freshwater aquatic ecotoxicity potential evaluation in LCIA phase for ENPs and in particular nanoparticles as n-TiO2.

Applicazione della Metodologia LCA(Life Cycle Assesment): La sostenibilità ambientale di Impianti a Biomassa della regione Emilia Romagna

Lo studio che la candidata ha elaborato nel progetto del Dottorato di ricerca si inserisce nel complesso percorso di soluzione del problema energetico che coinvolge necessariamente diverse variabili: economiche, tecniche, politiche e sociali L’obiettivo è di esprimere una valutazione in merito alla concreta “convenienza” dello sfruttamento delle risorse rinnovabili. Il percorso scelto è stato quello di analizzare alcuni impianti di sfruttamento, studiare il loro impatto sull’ambiente ed infine metterli a confronto. Questo ha consentito di trovare elementi oggettivi da poter valutare. In particolare la candidata ha approfondito il tema dello sfruttamento delle risorse “biomasse” analizzando nel dettaglio alcuni impianti in essere nel Territorio della Regione Emilia-Romagna: impianti a micro filiera, filiera corta e filiera lunga. Con la collaborazione di Arpa Emilia-Romagna, Centro CISA e dell’Associazione Prof. Ciancabilla, è stata fatta una scelta degli impianti da analizzare: a micro filiera: impianto a cippato di Castel d’Aiano, a filiera corta: impianto a biogas da biomassa agricola “Mengoli” di Castenaso, a filiera lunga: impianto a biomasse solide “Tampieri Energie” di Faenza. Per quanto riguarda la metodologia di studio utilizzata è stato effettuato uno studio di Life Cycle Assesment (LCA) considerando il ciclo di vita degli impianti. Tramite l’utilizzo del software “SimaPro 6.0” si sono ottenuti i risultati relativi alle categorie di impatto degli impianti considerando i metodi “Eco Indicator 99” ed “Edip Umip 96”. Il confronto fra i risultati dell’analisi dei diversi impianti non ha portato a conclusioni di carattere generale, ma ad approfondite valutazioni specifiche per ogni impianto analizzato, considerata la molteplicità delle variabili di ogni realtà, sia per quanto riguarda la dimensione/scala (microfiliera, filiera corta e filiera lunga) che per quanto riguarda le biomasse utilizzate.

Environmental Assessment of the Agricultural Sector

One of the main problems recognized in sustainable development goals and sustainable agricultural objectives is Climate change. Farming contributes significantly to the overall Greenhouse gases (GHG) in the atmosphere, which is approximately 10-12 percent of total GHG emissions, but when taking in consideration also land-use change, including deforestation driven by agricultural expansion for food, fiber and fuel the number rises to approximately 30 percent (Smith et. al., 2007). There are two distinct methodological approaches for environmental impact assessment; Life Cycle Assessment (a bottom up approach) and Input-Output Analysis (a top down approach). The two methodologies differ significantly but there is not an immediate choice between them if the scope of the study is on a sectorial level. Instead, as an alternative, hybrid approaches which combine these two approaches have emerged. The aim of this study is to analyze in a greater detail the agricultural sectors contribution to Climate change caused by the consumption of food products. Hence, to identify the food products that have the greatest impact through their life cycle, identifying their hotspots and evaluating the mitigation possibilities for the same. At the same time evaluating methodological possibilities and models to be applied for this purpose both on a EU level and on a country level (Italy).

Il risparmio delle risorse alla scala abitativa e di insediamento. Tecnologie non convenzionali e valutazione ambientale attraverso metodologia LCA.

Nel corso del mio lavoro di ricerca mi sono occupata di identificare strategie che permettano il risparmio delle risorse a livello edilizio e di approfondire un metodo per la valutazione ambientale di tali strategie. La convinzione di fondo è che bisogna uscire da una visione antropocentrica in cui tutto ciò che ci circonda è merce e materiale a disposizione dell’uomo, per entrare in una nuova era di equilibrio tra le risorse della terra e le attività che l’uomo esercita sul pianeta. Ho quindi affrontato il tema dell’edilizia responsabile approfondendo l’ambito delle costruzioni in balle di paglia e terra. Sono convinta che l’edilizia industriale abbia un futuro molto breve davanti a sé e lascerà inevitabilmente spazio a tecniche non convenzionali che coinvolgono materiali di semplice reperimento e posa in opera. Sono altresì convinta che il solo utilizzo di materiali naturali non sia garanzia di danni ridotti sull’ecosistema. Allo stesso tempo ritengo che una mera certificazione energetica non sia sinonimo di sostenibilità. Per questo motivo ho valutato le tecnologie non convenzionali con approccio LCA (Life Cycle Assessment), approfondendo gli impatti legati alla produzione, ai trasporti degli stessi, alla tipologia di messa in opera, e ai loro possibili scenari di fine vita. Inoltre ho approfondito il metodo di calcolo dei danni IMPACT, identificando una carenza nel sistema, che non prevede una categoria di danno legata alle modifiche delle condizioni idrogeologiche del terreno. La ricerca si è svolta attraverso attività pratiche e sperimentali in cantieri di edilizia non convenzionale e attività di ricerca e studio sull’LCA presso l’Enea di Bologna (Ing. Paolo Neri).

La governance dei rifiuti in Europa. Territori, conflitti e partecipazione

I rifiuti come oggetti impegnano tutte le istituzioni umane in una lotta di definizione del posto che occupano e quindi del valore che assumono. In tale dinamica la gestione dei rifiuti diventa un fatto sociale totale che coinvolge tutte le istituzioni umane in una lotta di definizione territorializzata. La storia del movimento ambientalista ci mostra come partendo dal disagio nei confronti dell’oggetto si è passati ad un disagio nei confronti delle idee che lo generano. Modernizzazione ecologica e modernizzazione democratica sembrano andare per un certo periodo d’accordo. Nei casi di conflittualità recente, e nello studio di caso approfondito di un piano provinciale della gestione rifiuti, il carattere anticipatore dell’attivismo ambientalista, sta rendendo sempre più costosi e incerti, investimenti e risultati strategici . Anche i principi delle politiche sono messi in discussione. La sostenibilità è da ricercare in una relativizzazione dei principi di policy e degli strumenti tecnici di valutazione (e.g. LCA) verso una maggiore partecipazione di tutti gli attori. Si propone un modello di governance che parta da un coordinamento amministrativo territoriale sulle reti logistiche, quindi un adeguamento geografico degli ATO, e un loro maggior ruolo nella gestione del processo di coordinamento e pianificazione. Azioni queste che devono a loro volta aprirsi ai flussi (ecologici ed economici) e ai loro attori di riferimento: dalle aziende multiutility agli ambientalisti. Infine è necessario un momento di controllo democratico che può avere una funzione arbitrale nei conflitti tra gli attori o di verifica. La ricerca si muove tra la storia e la filosofia, la ricerca empirica e la riflessione teorica. Sono state utilizzate anche tecniche di indagine attiva, come il focus group e l’intervista.

Applicazione della LCA alla valorizzazione delle risorse primarie e secondarie. Caso studio: analisi del ciclo di vita della gestione integrata dei rifiuti urbani

Il progetto prevede l’applicazione dell’analisi del ciclo di vita al sistema integrato di raccolta, riciclaggio e smaltimento dei rifiuti urbani e assimilati. La struttura di una LCA (Life Cycle Assessment) è determinata dalla serie di norme UNI EN ISO 14040 e si può considerare come “un procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici e ambientali relativi a un processo o un’attività, effettuato attraverso l’identificazione dell’energia e dei materiali usati e dei rifiuti rilasciati nell’ambiente. La valutazione include l’intero ciclo di vita del processo o attività, comprendendo l’estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l’uso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento finale”. Questa definizione si riassume nella frase “ from cradle to grave” (dalla culla alla tomba). Lo scopo dello studio è l’applicazione di una LCA alla gestione complessiva dei rifiuti valutata in tre territori diversi individuati presso tre gestori italiani. Due di questi si contraddistinguono per modelli di raccolta con elevati livelli di raccolta differenziata e con preminenza del sistema di raccolta domiciliarizzato, mentre sul territorio del terzo gestore prevale il sistema di raccolta con contenitori stradali e con livelli di raccolta differenziata buoni, ma significativamente inferiori rispetto ai Gestori prima descritti. Nella fase iniziale sono stati individuati sul territorio dei tre Gestori uno o più Comuni con caratteristiche abbastanza simili come urbanizzazione, contesto sociale, numero di utenze domestiche e non domestiche. Nella scelta dei Comuni sono state privilegiate le realtà che hanno maturato il passaggio dal modello di raccolta a contenitori stradali a quello a raccolta porta a porta. Attuata l’identificazione delle aree da sottoporre a studio, è stato realizzato, per ognuna di queste aree, uno studio LCA dell’intero sistema di gestione dei rifiuti, dalla raccolta allo smaltimento e riciclaggio dei rifiuti urbani e assimilati. Lo studio ha posto anche minuziosa attenzione al passaggio dal sistema di raccolta a contenitori al sistema di raccolta porta a porta, evidenziando il confronto fra le due realtà, nelle fasi pre e post passaggio, in particolare sono stati realizzati tre LCA di confronto attraverso i quali è stato possibile individuare il sistema di gestione con minori impatti ambientali.

Industrial ecology applied to ELV management. Material and energy recovery from ASR

This PhD thesis reports on car fluff management, recycling and recovery. Car fluff is the residual waste produced by car recycling operations, particularly from hulk shredding. Car fluff is known also as Automotive Shredder Residue (ASR) and it is made of plastics, rubbers, textiles, metals and other materials, and it is very heterogeneous both in its composition and in its particle size. In fact, fines may amount to about 50%, making difficult to sort out recyclable materials or exploit ASR heat value by energy recovery. This 3 years long study started with the definition of the Italian End-of-Life Vehicles (ELVs) recycling state of the art. A national recycling trial revealed Italian recycling rate to be around 81% in 2008, while European Community recycling target are set to 85% by 2015. Consequently, according to Industrial Ecology framework, a life cycle assessment (LCA) has been conducted revealing that sorting and recycling polymers and metals contained in car fluff, followed by recovering residual energy, is the route which has the best environmental perspective. This results led the second year investigation that involved pyrolysis trials on pretreated ASR fractions aimed at investigating which processes could be suitable for an industrial scale ASR treatment plant. Sieving followed by floatation reported good result in thermochemical conversion of polymers with polyolefins giving excellent conversion rate. This factor triggered ecodesign considerations. Ecodesign, together with LCA, is one of the Industrial Ecology pillars and it consists of design for recycling and design for disassembly, both aimed at the improvement of car components dismantling speed and the substitution of non recyclable material. Finally, during the last year, innovative plants and technologies for metals recovery from car fluff have been visited and tested worldwide in order to design a new car fluff treatment plant aimed at ASR energy and material recovery.

Aspetti di sostenibilità in agricoltura a diverse scale spaziali e temporali. Valutazioni ambientali, economiche ed energetiche.

La Tesi analizza le relazioni tra i processi di sviluppo agricolo e l’uso delle risorse naturali, in particolare di quelle energetiche, a livello internazionale (paesi in via di sviluppo e sviluppati), nazionale (Italia), regionale (Emilia Romagna) e aziendale, con lo scopo di valutare l’eco-efficienza dei processi di sviluppo agricolo, la sua evoluzione nel tempo e le principali dinamiche in relazione anche ai problemi di dipendenza dalle risorse fossili, della sicurezza alimentare, della sostituzione tra superfici agricole dedicate all’alimentazione umana ed animale. Per i due casi studio a livello macroeconomico è stata adottata la metodologia denominata “SUMMA” SUstainability Multi-method, multi-scale Assessment (Ulgiati et al., 2006), che integra una serie di categorie d’impatto dell’analisi del ciclo di vita, LCA, valutazioni costi-benefici e la prospettiva di analisi globale della contabilità emergetica. L’analisi su larga scala è stata ulteriormente arricchita da un caso studio sulla scala locale, di una fattoria produttrice di latte e di energia elettrica rinnovabile (fotovoltaico e biogas). Lo studio condotto mediante LCA e valutazione contingente ha valutato gli effetti ambientali, economici e sociali di scenari di riduzione della dipendenza dalle fonti fossili. I casi studio a livello macroeconomico dimostrano che, nonostante le politiche di supporto all’aumento di efficienza e a forme di produzione “verdi”, l’agricoltura a livello globale continua ad evolvere con un aumento della sua dipendenza dalle fonti energetiche fossili. I primi effetti delle politiche agricole comunitarie verso una maggiore sostenibilità sembrano tuttavia intravedersi per i Paesi Europei. Nel complesso la energy footprint si mantiene alta poiché la meccanizzazione continua dei processi agricoli deve necessariamente attingere da fonti energetiche sostitutive al lavoro umano. Le terre agricole diminuiscono nei paesi europei analizzati e in Italia aumentando i rischi d’insicurezza alimentare giacché la popolazione nazionale sta invece aumentando.

Valutazione della sostenibilità ambientale tramite metodologia LCA di sistemi per lo sfruttamento di fonti alternative di energia e materiali

La dissertazione ha riguardato l’analisi di sostenibilità di un sistema agronomico per la produzione di olio vegetale a fini energetici in terreni resi marginali dall’infestazione di nematodi. Il processo indagato ha previsto il sovescio di una coltura con proprietà biofumiganti (brassicacea) coltivata in precessione alla specie oleosa (soia e tabacco) al fine di contrastare il proliferare dell’infestazione nel terreno. Tale sistema agronomico è stato confrontato attraverso una analisi di ciclo di vita (LCA) ad uno scenario di coltivazione della stessa specie oleosa senza precessione di brassica ma con l’utilizzo di 1-3-dicloropropene come sistema di lotta ai nematodi. Allo scopo di completare l’analisi LCA con una valutazione dell’impatto sull’uso del suolo (Land use Impact) generato dai due scenari a confronto, sono stati costruiti due modelli nel software per il calcolo del Soil Conditioning Index (SCI), un indicatore quali-quantitativo della qualità del terreno definito dal Dipartimento per l’Agricoltura degli Stati Uniti d’America (USDA).

Assessment of Daily Life Mobility Levels using Wearable Inertial Sensors and Minimun Measured Input Models

Tracking activities during daily life and assessing movement parameters is essential for complementing the information gathered in confined environments such as clinical and physical activity laboratories for the assessment of mobility. Inertial measurement units (IMUs) are used as to monitor the motion of human movement for prolonged periods of time and without space limitations. The focus in this study was to provide a robust, low-cost and an unobtrusive solution for evaluating human motion using a single IMU. First part of the study focused on monitoring and classification of the daily life activities. A simple method that analyses the variations in signal was developed to distinguish two types of activity intervals: active and inactive. Neural classifier was used to classify active intervals; the angle with respect to gravity was used to classify inactive intervals. Second part of the study focused on extraction of gait parameters using a single inertial measurement unit (IMU) attached to the pelvis. Two complementary methods were proposed for gait parameters estimation. First method was a wavelet based method developed for the estimation of gait events. Second method was developed for estimating step and stride length during level walking using the estimations of the previous method. A special integration algorithm was extended to operate on each gait cycle using a specially designed Kalman filter. The developed methods were also applied on various scenarios. Activity monitoring method was used in a PRIN’07 project to assess the mobility levels of individuals living in a urban area. The same method was applied on volleyball players to analyze the fitness levels of them by monitoring their daily life activities. The methods proposed in these studies provided a simple, unobtrusive and low-cost solution for monitoring and assessing activities outside of controlled environments.

From fall-risk assessment to fall detection: inertial sensors in the clinical routine and daily life

Falls are caused by complex interaction between multiple risk factors which may be modified by age, disease and environment. A variety of methods and tools for fall risk assessment have been proposed, but none of which is universally accepted. Existing tools are generally not capable of providing a quantitative predictive assessment of fall risk. The need for objective, cost-effective and clinically applicable methods would enable quantitative assessment of fall risk on a subject-specific basis. Tracking objectively falls risk could provide timely feedback about the effectiveness of administered interventions enabling intervention strategies to be modified or changed if found to be ineffective. Moreover, some of the fundamental factors leading to falls and what actually happens during a fall remain unclear. Objectively documented and measured falls are needed to improve knowledge of fall in order to develop more effective prevention strategies and prolong independent living. In the last decade, several research groups have developed sensor-based automatic or semi-automatic fall risk assessment tools using wearable inertial sensors. This approach may also serve to detect falls. At the moment, i) several fall-risk assessment studies based on inertial sensors, even if promising, lack of a biomechanical model-based approach which could provide accurate and more detailed measurements of interests (e.g., joint moments, forces) and ii) the number of published real-world fall data of older people in a real-world environment is minimal since most authors have used simulations with healthy volunteers as a surrogate for real-world falls. With these limitations in mind, this thesis aims i) to suggest a novel method for the kinematics and dynamics evaluation of functional motor tasks, often used in clinics for the fall-risk evaluation, through a body sensor network and a biomechanical approach and ii) to define the guidelines for a fall detection algorithm based on a real-world fall database availability.

Assessment and optimization of chemical industrial processes from a life cycle perspective

During the PhD program in chemistry, curriculum in environmental chemistry, at the University of Bologna the sustainability of industry was investigated through the application of the LCA methodology. The efforts were focused on the chemical sector in order to investigate reactions dealing with the Green Chemistry and Green Engineering principles, evaluating their sustainability in comparison with traditional pathways by a life cycle perspective. The environmental benefits associated with a reduction in the synthesis steps and the use of renewable feedstock were assessed through a holistic approach selecting two case studies with high relevance from an industrial point of view: the synthesis of acrylonitrile and the production of acrolein. The current approach wants to represent a standardized application of LCA methodology to the chemical sector, which could be extended to several case studies, and also an improvement of the current databases, since the lack of data to fill the inventories of the chemical productions represent a huge limitation, difficult to overcome and that can affects negatively the results of the studies. Results emerged from the analyses confirms that the sustainability in the chemical sector should be evaluated from a cradle-to-gate approach, considering all the stages and flows involved in each pathways in order to avoid shifting the environmental burdens from a steps to another. Moreover, if possible, LCA should be supported by other tools able to investigate the other two dimensions of sustainability represented by the social and economic issues.